Остеоартроз (ОА) - распространенное дегенеративное заболевание суставов, сложность патогенеза которого связана с генетическими, метаболическими и местными факторами. При определенных условиях взаимодействие этих факторов вызывает процесс разрушения хряща, пролиферативную реакцию субхондральной кости и синовиальное воспаление. Ревматологи выделяют две формы остеоартроза: первичный (идиопатический) и вторичный, возникающий на фоне различных заболевания. Для ОА характерны общие клинические, радиологические и патологические проявления [1, 2]. Отчет Третьего Национального обследования в области здравоохранения и питания показывает, что около 37,4% взрослого населения в Соединенных Штатах в возрасте 60 лет и старше имеют рентгенологические признаки ОА [3, 4]. По данным Минздравсоцразвития РФ, в период с 2000 по 2009 гг. число пациентов с подтвержденным диагнозом ОА увеличилось в нашей стране более чем в 2 раза, причем прогнозируется дальнейший рост заболевания [5]. ОА наиболее часто поражает тазобедренные, коленные, голеностопные суставы, сочленения кисти, позвоночник и является основной причиной нарушения подвижности у пожилых людей [6, 7]. В настоящее время исследователи различают модифицирующие и немодифицирующие факторы риска развития ОА, включая генетическую предрасположенность, старение, ожирение и дисплазию суставов, однако патогенез ОА остается в значительной степени неясным [8, 9, 10].
ОА основывается на клинико-рентгенографической картине заболевания. Основные клинические симптомы ОА – хроническая боль различной интенсивности в области пораженного сустава, ограничения движений, деформация сустава, суставная нестабильность, утренняя скованность. При рентгенографическом обследовании выявляются сужение суставного пространства и наличие остеофитов. Лечение остеоартроза направлено на облегчение боли, уменьшение скованности, поддержание функциональных возможностей суставов и улучшение качества жизни [1]. Поскольку точные молекулярные механизмы, участвующие в патогенезе ОА, недостаточно хорошо изучены, то до настоящего времени не существует эффективных методов консервативного лечения заболевания, способных замедлить прогрессирование патологического процесса. В связи с этим методом выбора лечения остается радикальное хирургическое вмешательство – тотальное замещение пораженного сустава конечности [11]. Экономическое бремя остеоартрита в Соединенных Штатах превышает 60 млрд долларов в год [12], что свидетельствует о медико-социальной проблеме своевременной диагностики и лечения данной категории пациентов. Настоящая статья преследует цель рассмотреть патогномоничные молекулярные механизмы остеоартроза, которые в перспективе могут расширить потенциальные возможности для прогнозирования и ранней профилактики остеоартроза.
Цель исследования: проанализировать данные литературных источников по участию молекулярных механизмов, в том числе и полиморфизма генов, в патогенезе остеоартроза с целью определения потенциальных путей предупреждения дегенерации суставного хряща.
Материал и методы исследования
Проведен анализ данных литературных источников в базах НЭБ РИНЦ (eLIBRARY.RU), Web of Science, Scopus. Поиск информации проведен по следующим ключевым словам и выражениям: «первичный остеоартроз», «Primary osteoarthritis», «gene GDF5», «gene GDF5», «gene TGF-β», «gene SMAD3», «gene STC1», «gene COL11A1».
Результаты исследования и их обсуждение
Суставной хрящ в основном состоит из тканевой жидкости, коллагена II типа (COL2) и протеогликанов. Из массы интактного вещества 65–80% хряща составляет тканевая жидкость. Такое высокое содержание жидкости обеспечивает эластичность и упругость ткани и облегчает питательным веществам и кислороду диффундировать через матрицу хряща к его клеткам. Коллаген II типа и протеогликаны составляют 15–22 и 4–7% от интактной массы хряща соответственно [13]. Другие коллагены, такие как коллагены типов V, VI, IX, X, XI, XII, XIV [14], и протеогликаны (декорин, бигликан, фибромодулин, люмикан, эпификан и перлекан) [15] составляют небольшую часть (менее 5%) нормального состава суставного хряща. Хондроцит является единственным типом клеток в суставном хряще и отвечает за формирование и поддержание его внеклеточной среды [16, 17].
Матрица коллагена/протеогликана состоит из очень плотной сетки коллагеновых фибрилл, включая коллаген II типа (COL2) и второстепенные коллагены IX и XI типов, встроенных в гелеобразные отрицательно заряженные протеогликаны [18]. Эта гидратированная архитектура матрицы обеспечивает суставному хрящу прочность на растяжение и упругость, что позволяет суставам поддерживать надлежащую биомеханическую функцию [19].
По мере формирования суставного хряща хондроциты поддерживают структуру хряща, синтезируя компоненты матрикса (COL2 и протеогликаны) и ферменты, разрушающие матрикс, с минимальным оборотом клеток и матрикса. Существующая коллагеновая сеть становится сшитой, и суставной хрящ формируется в соединительную ткань, обладающую способностью поглощать механическое напряжение и реагировать на него [20]. В нормальных условиях суставные хондроциты задерживаются на предгипертрофической стадии дифференцировки, тем самым сохраняясь в течение всей жизни для поддержания нормальной структуры суставного хряща [21].
Дифференцировка и созревание хондроцитов в процессе эндохондрального окостенения жестко регулируются несколькими ключевыми факторами роста и факторами транскрипции, включая представителей семейства трансформирующего фактора роста β (TGF-β – transforming growth factor beta), факторов роста фибробластов, фактора роста тромбоцитов и белка, связанного с паратиреоидным гормоном [22–26]. Роль факторов роста в патогенезе ОА хорошо изучена: они участвуют в процессе восстановления хряща, так как способствуют усилению синтеза матрикса [27].
Поскольку TGF-β угнетает гипертрофию и созревание хондроцитов, ингибирование передачи сигналов TGF-β представляет собой потенциальный механизм развития ОА. Существуют три изоформы TGF-β: TGF-β1, TGF-β2 и TGF-β3, которые могут связываться с рецептором типа II для активации установленного сигнального каскада TGF-β/SMAD. Ген TGF-β связывается с рецептором типа II, который далее фосфорилирует трансмембранные рецепторы серин/треонинкиназы типа I. Рецептор типа I впоследствии фосфорилирует углеродный конец SMAD 2 и SMAD 3 (SMADs). Экспрессия генов SMAD таким путем приводит к диссоциации рецепторного комплекса и дальнейшему запуску механизма образования гетеромерного комплекса с общими генами SMAD, образуя форму гена SMAD 4 и активируя экспрессию данного гена. Этот гетеромерный комплекс SMAD затем проникает в ядро и связывается с другими ДНК-связывающими белками для регуляции транскрипции целевого гена [28].
Нарушение передачи сигнала TGF-β связывается с повреждением хряща, что предполагает потерю защитного эффекта TGF-β во время прогрессирования ОА. Кроме того, TGF-β участвует в раннем формировании остеофитов [28]. У мышей целенаправленное нарушение гена TGF-β1 приводит к диффузному и летальному воспалению примерно через 3 недели после рождения, а потеря TGF-β2 или TGF-β3 приводит к дефектам развития костей, затрагивающим передние и задние конечности и кости черепа, что позволяет предположить, что TGF-β играет важную роль в скелетогенезе [29].
Недавние генетические исследования, связанные с изучением механизма передачи сигналов гена TGF-β, также продемонстрировали, что правильная передача информации с гена TGF-β играет важную роль во время развития ОА. Трансгенные мыши, которые сверхэкспрессируют рецептор TGF-β II типа (DNTGFBR2) в скелетной ткани, демонстрируют гипертрофию суставных хондроцитов с повышенной экспрессией коллагена типа X, дезорганизацией хряща и прогрессирующей деградацией хрящевой ткани [30]. В соответствии с этими выводами, у мышей с нокаутом гена SMAD3 наблюдается прогрессирующая деградация суставного хряща, которая была отмечена ранее в механизме развития ОА человека [31]. У этих мышей проявляются типичные клинические признаки ОА, включая клонирование клеток, гипертрофию хондроцитов, фибрилляцию поверхности хряща, вертикальные трещины и тяжелое глубокое повреждение суставного хряща, а также образование хондрофитов и остеофитов [31]. Кроме того, связь между TGF-β и ОА отмечена в однонуклеотидном полиморфизме (SNP) в гене SMAD3 в подтвержденных клинических случаях ОА тазобедренного и коленного суставов в группе из 527 пациентов [32].
При исследовании гена TGF-β также был подтвержден один из ключевых сигнальных путей при остеоартрозе, подтверждена связь как защитной (анаболической), так и катаболической роли передачи сигналов TGF-β. В своей статье группа авторов [31] представила новые доказательства, основанные на данных, полученных на экспериментальной модели ОА, приближенной по своим проявлениям к клиническим случаям заболевания. Так, ими показано, что TGF-β участвует в морфологическом изменении кости и дегенерации хряща при ОА. Поскольку повышенная экспрессия TGF-β в субхондральной кости может быть одной из причин развития ОА и способна инициировать данную патологию, терапевтическое таргетирование может быть использовано для профилактики и облегчения течения заболевания [33].
Нарушение в работе гена TGF-β в хряще вызывает гипертрофию хондроцитов, что в конечном итоге приводит к дегенерации хряща. На основании данного наблюдения была предложена фармакологическая активация пути TGF-β для сохранения целостности суставного хряща уже на стадии клинических проявлений заболевания. Однако у такой стратегии лечения есть определенные угрозы. Предполагается, что передача сигналов TGF-β в хондроцитах переключается с известного анаболического пути генов ALK 5 и SMAD 2/3 на катаболический путь генов ALK-1 и SMAD 1/5/8 по мере старения человека, а следовательно, повышение экспрессии TGF-β у пожилых людей может фактически усугубить разрушение хряща [34].
Структура коллагена IX типа кодируется геном COL11A1, данный вид коллагена составляет 2–3% от общего количества коллагена. Этот волокнистый белок связывает волокна коллагена II типа, придавая последнему трехмерную стабильность. Также коллаген IX типа связывается с протеогликанами и прикрепляет их к коллагену внеклеточного матрикса. Многочисленными исследованиями было отмечено, что мутации в гене COL11A1 вызывают различные фенотипы хондродисплазии с последующим развитием раннего ОА [35]. Присутствие генетических полиморфизмов в данном гене исследовали с целью расширения знаний о патогенезе развития ОА. В полногеномном ассоциативном исследовании Panoutsopoulou и иные [36] проанализировали множественные полиморфизмы нескольких генов и отметили, что на этой первой стадии полиморфизм rs2615977, расположенный в интроне 31 гена COL11A1, имел ассоциацию с ОА тазобедренного сустава. Впоследствии метаанализ, проведенный Rodríguez-Fontenla и иными [35], показал, что из 199 генов-кандидатов только два гена были ассоциированы с развитием ОА – STC1 и COL11A1. Также были получены результаты, что два полиморфизма COL11A1 были связаны с развитием ОА тазобедренного сустава: rs4907986 и rs1241164. После выборки по полу полиморфизм rs4908291 был подтвержден только для женщин, а полиморфизм rs833058 гена VEGF – для мужчин. Используя метод дисбаланса аллельной экспрессии, Raine et al. [35] оценили корреляционную связь между генотипами и уровнями экспрессии трех полиморфизмов COL11A1: rs2615977, rs1676486 и rs9659030 – в хряще больных с подтвержденным ОА. Они отметили, что полиморфизм rs2615977 не был связан с ОА, что подтверждалось отсутствием корреляции с его экспрессией в хрящах.
Описанные выше данные свидетельствуют о том, что распространенные вариации в генах STC1 и COL11A1 могут повышать потенциальный риск развития ОА. Было высказано предположение, что комплекс взаимодействия между несколькими генами-предикторами или аллелями является ключевым фактором – «пусковым механизмом» развития заболевания. Авторы выделяют потенцирующий эффект взаимодействия между двумя полиморфизмами rs17786744 (STC1) и rs2615977 (COL11A1), предполагая, что наличие полиморфизма rs2615977 у COL11A1 может влиять на экспрессию гена STC1, создавая фенотип ОА, связанный с образованием остеофитов, или же сам полиморфизм rs2615977 изменяет экспрессию COL11A1 на других, более отдаленных стадиях болезни. Однако следует учитывать, что сила или интенсивность любого взаимодействия полиморфизмов могут быть изменены из-за других возможных взаимодействий, связанных с генами, которые не были определены. Так, даже наличие полиморфизма с сильной неравновесностью по сцеплению может иметь эффект увеличения экспрессии и резко влиять на функцию другого полиморфизма.
Фактор дифференцировки роста 5 (GDF-5 – growth differentiation factor 5), который является членом семейства TGF-β, представляет собой внеклеточную сигнальную молекулу, которая участвует в морфогенезе костей и хрящей, а также в формировании суставов [36].
Ряд исследований показал, что GDF-5 играет важную роль в процессах развития и формирования опорно-двигательного аппарата, влияя на эндохондральное окостенение, формирование суставов и костей, поддержание структуры сухожилий [37]. Так, было показано, что дефекты этого гена связаны с аномальным развитием суставов или нарушениями скелета у людей и мышей [38, 39]. Мутации в гене GDF-5 человека приводят к развитию широкого спектра заболеваний скелета [38]. Коллектив авторов Catherine M. Syddal и иных генотипировал ряд распространенных полиморфизмов GDF-5 и продемонстрировал, что rs143383, представляющий собой SNP (single nucleotide polymorphism – однонуклеотидный полиморфизм) c переходом C в T, расположенный в 5'-области (5'UTR) гена, ассоциирован с ОА [39]. Дальнейшие исследования показали, что полиморфизм rs143383 является функциональным, Т-аллель, ассоциированный с ОА, проявляет сниженную транскрипцию GDF-5 относительно С-аллеля во всех тканях суставов [40, 41].
Модели, воспроизводимые на мышах, обеспечили основу для лучшего понимания роли GDF-5 в скелетогенезе и поддержании суставов [42, 43]. Мыши, которые несут функциональный нулевой аллель GDF-5, вызванный мутацией сдвига рамки считывания, демонстрировали аномальное развитие скелета и костей [44, 45]. Однако мыши с нулевым аллелем GDF-5 оказались фенотипически нормальными, но демонстрировали повышенную склонность к развитию ОА [46]. Эта модель позволила предположить, что снижение уровня экспрессии GDF-5 у мышей способствует развитию ОА. Кроме того, у мышей с низкой экспрессией GDF-5 наблюдались нарушения в структуре сухожилий, изменяющие их биомеханические свойства, что может быть связано с измененным коллагеном I типа и наличиями аномалий скелета. Одна из гипотез механизма, лежащего в основе этого процесса, заключалась в том, что GDF-5 может модулировать скорость роста эндохондральной кости, влияя таким способом на продолжительность гипертрофической фазы в хондроцитах при их развитии [47]. Это подтверждают генетические данные, указывающие на связь между GDF-5 и остеоартрозом человека, однако пока остается неясным, почему частота ассоциированных аллелей варьируется в разных исследованиях. Подтверждение функциональных вариантов, вероятно, потребует биологических, а также дополнительных генетических анализов.
В нескольких исследованиях сообщалось об использовании GDF5 в терапии ОА. Коллектив авторов Hwang и иных [48] показал увеличение синтеза гликозаминогликанов в неизмененных хондроцитах сустава, пораженного ОА, при их культивации с GDF-5 и увеличение уровней мРНК аггрекана (ACAN). Это может быть причиной развития ОА или его следствием, что диктует необходимость дальнейшего изучения механизма снижения влияния уровня генетического дефицита путем применения измененного GDF-5 в качестве потенциального средства, снижающего риск развития ОА при наличии полиморфизма rs143383 [49].
Заключение. Таким образом, суставной хондроцит является своеобразным датчиком, определяющим гомеостаз суставного хряща и играющим решающую роль в поддержании его нормальной морфоструктуры и функции, а в целом и всего сустава. Недавние исследования показывают, что гомеостаз суставных хондроцитов может быть нарушен комбинацией многих факторов, включая аномальную механическую нагрузку и возрастную инволюцию, генетические изменения в сигнальных путях TGF-β/SMAD. По отдельности и в комбинации данные факторы способны нарушить баланс между анаболической и катаболической активностью в суставном хряще и привести вначале к прогрессирующей дегенерации внеклеточного матрикса, а затем и к необратимой деградации суставного хряща. Пониженная экспрессия гена GDF-5 в клетках суставных хондроцитов является причиной изменения нормального строения сухожилий, возникновения аномалий скелета, что, в конечном итоге, приводит к дисбалансу динамических стабилизаторов суставов, биомеханическим проблемам функционирования последних, перегрузке и развитию дегенерации и деградации суставного хряща. В связи с этим внедрение ДНК-диагностики в работу ревматологов и ортопедов с целью прогнозирования развития остеоартроза, формирования групп риска, проведения ранних мероприятий по профилактике данного заболевания представляется своевременным императивом.